Лазерното заваряване има място в електрическите превозни средства, аерокосмическия, корабния и железопътния транспорт, строителството, енергийния сектор, полупроводниците, потребителската електроника, производството на медицински изделия и др. Дори сливането на различни материали, което е трудно с конвенционалните техники за заваряване, може лесно да бъде разрешено с гъвкавостта и прецизността на лазерното заваряване и дори се е превърнало в предпочитано решение. Този процес, често наричан "заваряване по различни начини", е важна част от постигането на съвременните инженерни цели.
Производството на батерии и електрически компоненти за приложения за електронна мобилност предизвиква по-голям интерес към лазерното заваряване на различни материали като мед и алуминий.
Различното заваряване позволява по-широка свобода на проектиране при избора на различни материали с добри свойства като електрическа и топлопроводимост, пластичност, относителна плътност, точка на топене и твърдост, но традиционно изисква лепила или механични методи за свързване.
Въпреки че техниката има общи елементи с конвенционалното заваряване, тя предлага уникална възможност за увеличаване на степента на свобода на проектиране, разнообразието от комбинации от материали, като по този начин се намаляват разходите за производство и сглобяване и се подобрява производителността на компонентите или системата.
Заваряването на различни материали обаче изисква внимателно отчитане на дължината на вълната на лазера, средната мощност, профила на лъча, ширината на импулса и пиковата мощност. Параметрите на лазерната система също трябва да бъдат персонализирани за конкретни комбинации от материали и приложения.
Най-важната и най-бързо развиваща се област на приложение е производството на батерии и електрически компоненти за електрически превозни средства. Търсенето на електрически превозни средства (EV) се е увеличило драстично през последните две години и заваряването на различни материали е в основата на превръщането на EV в по-ефективни и екологични.
Въпреки че заваряването по различни начини има много общо с конвенционалното заваряване, оптимизирането на качеството и скоростта на заварката е по-голямо предизвикателство. Гъвкавостта на системите за лазерно заваряване предлага уникални решения за разширяване на нови приложения и възможности. (С принос от Tomo Express)
Матю Филпот, главен директор „Маркетинг и продажби“ на NUBURU, водещ иноватор в индустриалната синя лазерна технология с висока мощност и яркост, каза: „Предвижда се електрическите превозни средства да представляват повече от 20% от пазара през следващите 5 до 10 години. години, а потребителската електроника ще представлява между 10% и 15%."
Производството на литиево-йонни (литиево-йонни) батерии изисква способността за заваряване на алуминий към мед чрез заварка фолио към електрод или електрод към електрод. При цилиндричните батерии накрайниците на медния електрод трябва да бъдат заварени към стоманена кутия.
При производството на батерийни пакети клетките обикновено вече са сглобени и инженерите трябва да реализират дизайн, който свързва клетките, за да осигури оптимална енергия. Настоящите литиево-йонни батерии са изработени от никелирана студено валцована стомана. Въпреки това, заваряването на метал с по-малко съпротивление, като алуминий или мед, към стандартните клеми от неръждаема стомана на литиево-йонна батерия намалява нейното съпротивление, така че се губи по-малко енергия при загуба на топлина.
Подобрената производителност на батерията за електрически превозни средства е основен фактор за стабилния растеж на продажбите на електрически превозни средства," каза Марк Л. Бойл, старши мениджър продуктов инженеринг и приложения в AMADA WELD TECH. По-добрата производителност произтича отчасти от последните разработки в заваряването на различни метали, което подобрява ефективността чрез увеличаване на съхранението на енергия, намаляване на размера и поддържане на надеждност."
В допълнение, корабостроителната индустрия предоставя друг пример, при който различното заваряване осигурява уникална стойност. Индустрията рутинно използва заварени интерфейси стомана-алуминий за оптимизиране на разпределението на теглото, което води до по-ниски емисии на CO2 и повишена стабилност. По-специално, заваряването на стоманен корпус към алуминиева надстройка може да намали собственото тегло.
Blue light laser welding of copper sheets. Green and blue lasers are often better suited for welding highly reflective metals such as copper and aluminum, providing lower heat input and improved process stability of >1 µm. (Снимка от NUBURU)
„В допълнение към намаляването на емисиите на CO2 и потреблението на енергия, центърът на тежестта на плавателния съд може да бъде понижен чрез интелигентно подреждане на материала, като по този начин се подобрява транспортната стабилност.“ Раби Лахдо, изследовател в Групата за заваряване и рязане на метали в Хановерския лазерен център, каза.
Въпреки че материали с подобни свойства обикновено произвеждат по-надеждни заварки, големи играчи като AMADA WELD TECH получават все по-голям брой заявки за заваряване на различни материали.
„От търговска гледна точка изборът на различен материал може да намали производствените разходи и да подобри производителността на компонент или устройство.“ Марк Л. Бойл каза: "Когато това се случи, изборът на различни метали може да се използва като конкурентно предимство на пазара, за да се осигури по-добър продукт на по-ниска цена."
01 Предизвикателства и съображения-
При сливане на материали като стомана или мед с алуминий, промените в точката на топене на материала и коефициента на термично разширение могат да доведат до образуването на крехки междинни части, които отслабват заваръчната връзка.
"Металите имат различни температури на топене и топене, различни коефициенти на поглъщане на светлина (особено при определени дължини на вълната на лазера) и различна топлинна дифузия. Това затруднява едновременното им стопяване до правилната степен." Филпот от NUBURU казва: „Това е най-забележимо при силно отразяващи метали, които могат да имат много различни коефициенти на поглъщане в инфрачервената светлина.“
Полетата на напрежение, създадени от различни коефициенти на топлинно разширение по време на охлаждане, също могат да отслабят заваръчните шевове и да доведат до разрушаване на заваръчните съединения. Тези твърди, крехки структури, наречени "интерметални фази", се образуват в преходната зона между заваръчния метал и основния метал. Това е явление, което може да порази всеки метод на заваряване.
Напречно сечение на заваръчен шев от стомана и алуминий. (принос на LZH)
Образуването на интерметални фази, като FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 в системата стомана-алуминий и Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 в системата мед-алуминий, се дължи на ограничената разтворимост на елементите“, казва Сара Нотдърфт, ръководител на Група за свързване и рязане на метали в Лазерния център Хановер. Такива фази също показват значително по-високо съпротивление в сравнение с основния материал.
Внимателният подбор на работните параметри на лазера, като комбиниране на високи скорости на заваряване, ниски топлинни натоварвания и прецизен контрол на процеса на топене, позволява на инженерите да смекчат някои от тези проблеми.
"Докато образуването на интерметални съединения е неизбежно, тяхната крехкост не е." Алексей Маркевич, мениджър развитие на пазара в IPG Photonics, каза: „Правилната формулировка на процеса може да сведе до минимум образуването на тези съединения и да увеличи максимално тяхната ковкост, което води до структурно здрави, по-проводими и по-стабилни заварки.“
02 Приложения за заваряване на различни материали-
Вниманието към правилните съотношения на смесване и правилното подреждане на съвпадението може допълнително да подобри работата на различни заваръчни съединения. Например, I-образен шев с отвор за заваряване на припокриване се оказа изгоден. При този метод стоманена плоча се поставя върху алуминиева плоча. За да се намалят до минимум интерметалните фази, заваряването се извършва през стоманената плоча и само към алуминиевата плоча.
Оливър Сефер, изследовател в Групата за заваряване и рязане на метали в Хановерския лазерен център, казва: „Поради ниското съдържание на алуминий, делът на такива крехки фази в крайната микроструктура е относително нисък.“
03 Съображения за лазерни параметри-
Изборът на лазерна технология зависи от материала, който ще се заварява. Различни заваръчни отвори за стъкло и метали може да изискват CO2 лазерна система. Заваряването на алуминиево силикатно стъкло и различни метали може да се възползва от фемтосекундна лазерна система, докато заваряването на алуминиеви сплави и техническо стъкло често може да бъде успешно с пикосекунден лазерен източник.
Целта е да се сведе до минимум входящата топлина, да се елиминират пръските, да се подобри стабилността на процеса и да се осигури широк прозорец от параметри на процеса, докато се заварява с възможно най-висока скорост.
„Докато стоманените сплави абсорбират добре в близката инфрачервена област, дори метали с висока отразяваща способност, като алуминий и мед, се обработват предимно с 1 µm лазери.“ Маркевич от IPG казва: "Това е така, защото абсорбцията зависи от температурата и фазата на метала. При стайна температура медта и алуминият абсорбират около 5% при 1 µm и 40% до 50% при 515 nm, с по-висока абсорбция при сини дължини на вълната."
"Всички поглъщателни способности се увеличават за нагрети метали и IR скача в точката на топене," казва той, "и разтопените метали абсорбират всички дължини на вълните много добре. По този начин, достатъчно висока плътност на IR мощността преодолява високата отразяваща способност."
However, in shallow conduction welding of foils or certain welding geometries involving thicker materials, the use of high-intensity infrared lasers can lead to overheating, material damage, or process instability at the point of the fast absorption transition. As a result, in some cases, green or blue lasers are more suitable for copper welding because they offer lower heat input and improved process stability at >1 µm.
Раби Лахдо казва, че понижаването на необходимия изходен интензитет намалява турбуленцията в разтопения басейн, което подобрява стабилността на процеса. „Увеличаването на стабилността на процеса е придружено от подобряване на качеството на отвора на хибридния заваръчен шев и образуването на пръски е потиснато.“
При заваряване чрез ключалка на по-дебели материали, започвайки с отвори за микросвързване от стотици микрометри, инфрачервените лазери обикновено са по-ефективни от зелените или сините лазери, което води до по-малко входяща топлина, както и по-добро качество на заварката и по-високи скорости.
Tunable mode beam lasers eliminate spatter while quickly achieving high quality weld openings in dissimilar materials. These lasers emit a core beam enclosed in an individually controllable ring beam. Busbar welding applications for melting aluminum and copper can be achieved using an infrared single mode beam (above). However, the Tunable Mode Laser (below) exhibits complete control of spatter by enclosing the single-mode beam within an external annular beam. Such systems are capable of spatter-free copper busbar welding at speeds up to 60 m/min and depths of fusion >0.65 мм.
„Яркостта на едномодовия лъч до 2 kW преодолява отразяващата природа на яркия метал, за да създаде стабилни заварки с малки отвори с дълбочина на топене, която може да бъде много по-дълбока от ширината на заварката“, каза Кен Джурко, глобален старши мениджър ключови клиенти в ThruFast Laser Technology Center в Санта Клара, Калифорния.
„Бързото трептене на лъча инхибира образуването на интерметални съединения, като по този начин ограничава продължителността на фазата на топене при отвора на заваръчния шев.“ Той каза: "В допълнение, яркостта на дългите светлини увеличава ефективността на заваряване и значително намалява зоната, засегната от топлината, като по този начин произвежда по-голям обем на заваръчния шев при по-ниска средна входяща мощност."
Друг фактор, влияещ върху използването на лазерна енергия, е разсейването на светлината от струята метални пари, което е пропорционално на четвъртата степен на дължината на вълната. 1070nm лазери разпръскват 18 пъти по-малко от 515nm лазери и 30 пъти по-малко от 455nm лазери. Високите скорости на разсейване на сините и зелените лазери в струи от метални пари лесно компенсират техните малко по-високи скорости на абсорбция в разтопени материали.
Днес повечето производители избират лазери с непрекъсната вълна от 1 µm, които са водещи в скоростта на обработка, качеството и намаляването на разходите. Но всички дължини на вълните предлагат предимства в зависимост от конкретната ситуация. Например Филпот от NUBURU вярва, че изместването на дължината на вълната към синя или зелена светлина си струва да се проучи в приложения, които се възползват от увеличеното поглъщане.
„Подаването на лъч за лазери със синя или зелена светлина (напр. скенери, обработващи глави, контрол на лъча и други спомагателни компоненти) е подобно на това, използвано за NIR лазери.“ Филпот казва: „В резултат на това преобразуването от инфрачервена към синя или зелена светлина е много лесно и методът за управление на струята е подобен, така че няма проблеми поради абсорбция или разсейване.“
Днешните лазерни системи са ограничени до 3kW при 515nm и 4kW при 455nm, а поради ограниченото качество на лъча на сините лазери, фокусирането на лъча и ефективността на обработка също са ограничени.
„Когато заварявате мед с помощта на дължини на вълните на лазерния лъч във видимия диапазон, особено в спектъра на синята светлина, в момента липсва достатъчна мощност на лазерния лъч и необходимо качество на лъча“, казва Раби Лахдо, „Постигането на високо качество на лъча е най-голямото предизвикателство, когато използване на лазерни диоди за генериране на лазерно лъчение. В допълнение, видимите лазери са по-склонни да повредят оптиката, отколкото инфрачервените източници, което съкращава живота и увеличава разходите."
Въпреки предизвикателствата, Philpott очаква по-нататъшни подобрения в производителността и стойността на запояване, тъй като диодите със синя светлина продължават да подобряват наличността и производителността.
„Няма надеждност или риск от разходи, свързан с работещите лазери в рамките на проектните толеранси на оптиката“, каза той. „Въпреки това, клиентите може да изпитат кратък живот на оптиката с конкретен продукт на лазерен доставчик; обаче, ако производителят не пусне продукт без правилно валидирани оптични устройства, тогава това може да се случи с всяка дължина на вълната.“
04
-Специализация на лазерни системи-
Лазерите с непрекъснати вълнови влакна могат да заваряват алуминий и мед с подходящ контрол на профила на лъча. Развитието на профилите на лъча сърцевина-пръстен и по-мощните системи за сканиране значително подобриха качеството и потенциала на хибридните заваръчни отвори през последното десетилетие.
По време на заваряване на малки отвори на мед и алуминий, отворите стават нестабилни при високи скорости на заваряване. Един от начините за премахване на тази нестабилност е да се забави скоростта на заваряване, но това обикновено не е желателно. Вместо това, друг метод е да се използва галванометър за добавяне на трептене към лазерния лъч, за да се раздвижи разтопеният басейн. Това подобрява конвекцията в потока от стопилка, за да се предотврати срутването на малки дупки. Обикновено се получава заваръчен шев с отлично качество, но допълнително забавя процеса на заваряване.
Трети начин за елиминиране на пръски по време на високоскоростно заваряване е използването на лазер с регулируем лъч (AMB), който излъчва сърцевинен лъч, заобиколен от пръстеновиден лъч. Силата и интензитетът на сърцевината на лъча определят дълбочината на проникване на малките дупки, докато енергията на пръстеновидния лъч стабилизира малките дупки, за да минимизира или напълно елиминира нежеланото пръскане, пукнатини и порьозност.
Най-малките сърцевини са едномодови лъчи с диаметър 14 µm. Многомодовите сърцевини обикновено са с диаметър 50 или 100 µm, а пръстеновидните лъчи обикновено са с диаметър до 300 µm.
„Използването на влакнести лазери със сърцевина и пръстен е област на активно развитие в инфрачервеното лазерно заваряване с разнородност и е търсена от всички основни играчи“, казва Маркевич, мениджър развитие на пазара в IPG Photonics. „Лазерът AMB с едномодово ядро беше избран заради неговата гъвкавост, високи скорости на заваряване и присъща способност да минимизира образуването на крехки интерметални съединения.“
3 kW едномодов ядрен AMB лазер с 3 kW допълнителна мощност в пръстеновиден лазер е в състояние да заварява без пръски медна шина при 60 m/min с проникване над 0,65 mm.
Сегашните търговски зелени или сини лазери не могат да постигнат същата скорост и качество на обработка, казва Маркевич. Но както той посочва, консистенцията на заваръчния шев все още може да бъде повлияна от вариации в празнината между материалите или замърсяване на материала. С тенденцията дебелините на шините да намаляват, затягането и закрепването се превръща в предизвикателство. Недостатъчната дълбочина на стопяване на заваръчния шев може да доведе до по-висока устойчивост и по-ниска механична якост, докато прекомерната дълбочина на стопяване или пробиване може да направи батерийните клетки на EV опасност от пожар.
"Typical material thicknesses for busbar lap welds are 200 to 300µm, less than 1mm," says Markevitch, "Immediately below the thin lap weld is a thermally-sensitive organic electrolyte, which may decompose at >60 градуса."
Алуминият се топи при 660 градуса, медта при 1085 градуса, а стоманените сплави при 1500 градуса. Два метала с много различни температури на топене трябва да бъдат разтопени, без да се повредят литиевите соли, съдържащи запалим органогел или компоненти на батерията (като уплътнения, уплътнения и разделители) по-долу.
Контролът на процеса на линия, базиран на спектрални емисии на процеса или OCT, може да осигури безразрушителни измервания на дълбочината на заваръчните шевове в реално време. Това позволява да се предприемат коригиращи действия за постигане на постоянна дълбочина на топене.
